Nanosilber als Elektrokatalysator zur Umwandlung von CO₂
Im Rahmen des GreenQUEST-Projekts hat ein internationales Forscherteam unter Leitung von Dr. Prashanth Menezes vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid (CO₂) zu Kohlenmonoxid (CO) untersucht. Dabei standen Katalysatorschichten aus Silbernanopartikeln im Fokus, deren Partikelgröße und Dichte systematisch variiert wurden, um optimale Bedingungen für die CO-Ausbeute zu ermitteln.
Elektrolytische CO₂-Reduktion und Synthesegasproduktion
Die elektrochemische Umwandlung von CO₂ zu CO stellt eine wichtige Zwischenstufe dar, da CO zusammen mit Wasserstoff (H₂) als Synthesegas für die Herstellung von Kraftstoffen dient. Diese Brennstoffe, hauptsächlich bestehend aus Propan (C₃H₈) und Butan (C₄H₁₀), können klimaneutral produziert werden, sofern die elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen wie Solar- oder Windenergie stammt. Das Ziel des GreenQUEST-Konsortiums ist es, einen bezahlbaren und nachhaltigen grünen Flüssiggasbrennstoff (gLFG) zu entwickeln, der insbesondere in ländlichen Gebieten Südafrikas als Alternative zu Brennholz dienen soll.
Optimierung der Silbernanopartikel-Katalysatoren
Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Katalysatorschichten, die aus Silbernanopartikeln auf einem Kohlenstoffpulverträger bestehen. Dabei zeigte sich, dass Nanopartikel mit einem Durchmesser von etwa 10 Nanometern und einer lockeren Verteilung auf der Elektrode (0,2 mg/cm²) die höchste Effizienz bei der CO-Produktion erzielten. Kleinere Partikel förderten verstärkt die unerwünschte Wasserstoffentwicklung, während größere Partikel weniger katalytisch aktiv waren.
Verbesserung der Wirtschaftlichkeit durch Anodenreaktionen
Üblicherweise findet an der Anode während der Elektrolyse die energieaufwändige Sauerstoffentwicklungsreaktion statt, die keinen wirtschaftlichen Nutzen bringt. Das Team konnte zeigen, dass durch Zugabe von Aldehyden in den Elektrolyten diese Reaktion durch eine Aldehyd-Oxidation ersetzt werden kann. Dadurch reduziert sich der Energiebedarf des Gesamtprozesses um über 30 %. Zudem entstehen an der Anode wertvolle Produkte wie Wasserstoff und Karbonsäuren, darunter Ameisensäure, was den wirtschaftlichen Nutzen des Verfahrens erhöht.
Langzeitstabilität und Effizienz
Der optimierte Silbernanopartikel-Katalysator erreichte über einen Zeitraum von 100 Stunden eine faradaische Effizienz von nahezu 100 % für die CO-Produktion. Röntgen-Photoelektronenspektroskopische Analysen bestätigten, dass die elektronische und chemische Struktur der aktiven Silberpartikel während des Betriebs stabil bleibt.
Potenzial für nachhaltige Kraftstoffherstellung
Die Kombination der CO-Erzeugung mit der gleichzeitigen Produktion von Wasserstoff und wertvollen Chemikalien an der Anode ermöglicht eine Steigerung des Gesamtwerts des elektrochemischen Prozesses. Die gewonnenen Produkte können als Ausgangsstoffe für die Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe und weiterer chemischer Erzeugnisse dienen.
Projekt und Kontakt
- Projekt: GreenQUEST – deutsch-südafrikanische Kooperation zur Entwicklung nachhaltiger Herstellungsmethoden für grünes Flüssiggas (gLFG) unter Nutzung zirkulärer Kohlenstoffkreisläufe
- Förderung: Bundesministerium für Bildung, Forschung und Technologie (BMFTR)
- Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Dr. Prashanth Menezes (prashanth.menezes@helmholtz-berlin.de)
Publikation
Advanced Functional Materials (2026): Decoupling the Size and Loading Effects in Silver Nanoparticles for Efficient Paired Carbon Dioxide and Formaldehyde Electrolysis
Venkata S. R. K. Tandava et al.
DOI: 10.1002/adfm.78365
Weiterführende Informationen
Details zum GreenQUEST-Projekt finden Sie unter: https://www.greenquest.africa/
